Fabrication de transistors HEMTs haute fiabilité sur substrat

2016-THESE
GaNeX
 Axe de GANEX : 4
 Titre du sujet : Fabrication de transistors HEMTs haute fiabilité sur substrat GaN
haute qualité
 Porteur : Jean-Claude DE JAEGER [email protected]
 Nature de la thèse
Partagée académique : Option1 : GANEX 100%, Option2 : GANEX/ Université Lille1
Laboratoires bénéficiaires et taux de partage : IEMN 45%, LAAS 45%, CRHEA 10%
 Date souhaitée de démarrage : 1er octobre 2016
 Lien avec un projet ANR ou H2020 : ANR Hi-Q-GaN
 Lien avec industriels : OMMIC
 Sujet développé : (jusqu'au bas de page, police 11-12)
Le nitrure de gallium constitue le meilleur candidat pour la réalisation de transistors de type
HEMT de puissance fonctionnant à haute fréquence. A l’heure actuelle, en raison de la faible
disponibilité de substrats GaN, la plupart des dispositifs sont fabriqués par hétéro-épitaxie sur des
substrats Si, SiC, ou saphir. Jusqu'à présent, aucun de ces substrats ne permet la croissance directe
de GaN de haute qualité cristalline. Par conséquent, le développement de ces technologies doit
faire face à de nombreux défauts (dislocations de 108-1010cm-2) et contraintes mécaniques notables
(plusieurs 100s MPa) apparaissant dans le matériau entrainant de nombreuses questions quant à la
fiabilité des dispositifs. Le but de ce sujet de thèse est de qualifier de nouveaux dispositifs
électroniques de type HEMT pour les applications RF à partir d'une nouvelle stratégie de substrat
GaN présentant une haute qualité cristalline avec l’objectif à moyen terme d’une industrialisation.
Le sujet est basé sur une chaîne complète d’études allant du substrat jusqu'à l'analyse de la fiabilité
via la technologie et la caractérisation des dispositifs.
A partir de substrats GaN free-standing, le CRHEA va faire croitre une couche épaisse de GaN
semi-isolante ayant une résistivité élevée permettant de minimiser le couplage capacitif RF du
substrat avec l’hétérostructure AlGaN / GaN. La technique de croissance MOVPE permettra
d’obtenir des films de GaN épais avec des vitesses supérieures à 2µm/h en contrôlant la résistivité
par auto-compensation de carbone ou incorporation de fer. La croissance de l’hétérostructure
AlGaN/GaN sera ensuite développée sur ces substrats.
Le procédé technologique de fabrication des composants HEMTs AlGaN / GaN sur substrat GaN
pour des applications RF sera développé à l’IEMN. Un procédé similaire sera également utilisé sur
une épitaxie identique sur substrat SiC afin de mettre en évidence qualitativement et
quantitativement l'amélioration apportée par les dispositifs innovants proposés. Un procédé basé
sur la lithographie optique permettra dans un premier temps la fabrication rapide de dispositifs
permettant d’évaluer aussi rapidement que possible la qualité du matériau. Des lignes coplanaires
seront également fabriquées afin de déterminer les pertes en fonction de la fréquence. La
lithographie électronique permettra ensuite de réaliser des composants avec des longueurs de
grilles en T ultra-courtes, de longueurs 70-100nm. Les caractéristiques I-V en régimes DC et Pulsé
et des mesures de paramètres S seront effectuées pour déterminer les fréquences de coupure des
transistors et leur schéma équivalent. Des mesures de puissance hyperfréquence seront ensuite
effectuées. Enfin, des mesures thermiques utilisant le microraman et la caméra infrarouge seront
effectuées pour évaluer la résistance thermique des transistors.
Le LAAS a développé différents outils non destructifs et des modèles expérimentaux qui seront
utilisés pour évaluer l'influence du substrat et de la croissance sur la fiabilité des dispositifs.
L'étude sera divisée en deux aspects potentiellement corrélés. L’analyse du contact Schottky
représentera l'un des cas d'étude critique car la zone de grille définit la qualité et la stabilité du
contrôle des charges dans le canal : l'hétérogénéité de la hauteur de barrière de Schottky sera
étudiée pour différentes durées des contraintes. Le deuxième aspect concerne l'étude des
paramètres électriques du transistor. Des outils spécifiques transitoires et harmoniques seront
utilisés pour localiser les défauts. L’étude des paramètres dynamiques (S21, P1dB, VGS-GM-max, Ron,
...) permettra également de corréler et de conclure sur le comportement des dispositifs au cours de
l'application de la contrainte.
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